JP2016144804A - Electrode for photolytic water decomposition reaction using photocatalyst - Google Patents

Electrode for photolytic water decomposition reaction using photocatalyst Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrode for a photolytic water decomposition reaction used for producing hydrogen efficiently and industrially advantageously which can remarkably increase a photolytic water decomposition reaction rate under light irradiation.SOLUTION: There is provided an electrode for a photolytic water decomposition reaction which is obtained by accumulating one or more selected from the group consisting of oxynitride, nitride, oxysulfide and sulfide as a photocatalyst constituting a photocatalyst particle (10) on a support (20) and has a semiconductor or good conductor (30) between the photocatalyst particles (10) and between the photocatalyst particle (10) and the support (20), wherein a semiconductor or good conductor is provided between the photocatalyst particles and between the photocatalyst particle and the support by coating and then heat-treating the photocatalyst particles and the support surface with a precursor of the semiconductor or the good conductor and the semiconductor or good conductor (30) is a predetermined material.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、太陽光を利用した水分解反応を行うことにより水素を製造する装置に適用される、支持体上に光触媒を備えてなる光水分解反応用電極に関する。   The present invention relates to an electrode for photo-water splitting reaction, which is applied to an apparatus for producing hydrogen by performing water-splitting reaction using sunlight, and includes a photocatalyst on a support.

太陽エネルギーなどの再生可能エネルギーを利用した高性能な光エネルギー変換システムを実用化することは、地球温暖化の抑制、および枯渇しつつある化石資源依存からの脱却を目指す観点から、近年になって急激にその重要性が増している。中でも、太陽エネルギーを用いて水を分解し水素を製造する技術は、現行の石油精製、アンモニア、メタノールの原料供給技術としてのみならず、燃料電池をベースとした来たる水素エネルギー社会において、必須とされる技術である。   In recent years, the practical application of high-performance light energy conversion systems that use renewable energy such as solar energy has been aimed at controlling global warming and moving away from the depletion of fossil resources. Its importance is increasing rapidly. Above all, the technology that decomposes water using solar energy to produce hydrogen is indispensable not only in the current petroleum refining, ammonia and methanol raw material supply technology, but also in the future hydrogen energy society based on fuel cells. Technology.

光触媒による水分解反応は、1970年代から広く研究されている(非特許文献1)。光触媒の多くはその大きなバンドギャップのため、紫外光領域でならば水分解が進行するが可視光領域は利用できなかったり、可視光領域を利用することができても水中で不安定であったりするという欠点があった。2000年以降になって可視光領域の光エネルギーで水を分解することができ、かつ水中で安定である光触媒が発表されるようになった(非特許文献2、3、4)。これらは粉体状の光触媒をそのまま使用するか、もしくはキャラクタリゼーションのしやすいNb:SrTiO やF:SnOなどの酸化物導電体上に光触媒を堆積して反応に使用するのが一般的であった。 The water splitting reaction using a photocatalyst has been extensively studied since the 1970s (Non-Patent Document 1). Many photocatalysts have a large band gap, so water decomposition proceeds in the ultraviolet region, but the visible region cannot be used, or even if the visible region can be used, it is unstable in water. There was a drawback of doing. Since 2000, photocatalysts that can decompose water with light energy in the visible light region and are stable in water have been announced (Non-Patent Documents 2, 3, and 4). These are generally used in the reaction by using a powdery photocatalyst as it is or by depositing a photocatalyst on an oxide conductor such as Nb: SrTiO 3 or F: SnO 2 which is easy to characterize. there were.

粉体状の光触媒を用いて懸濁液の中で水分解反応を行う場合、よりエネルギー的に有利な逆反応が進行してしまうために光電変換効率が低い上、水分解反応による水素生成サイトと酸素生成サイトは懸濁された光触媒粒子上にあって不可分なため、生成ガスは混合気体として回収せざるを得ないという欠点があった。   When a water splitting reaction is carried out in a suspension using a powder photocatalyst, a more energy-friendly reverse reaction proceeds, so the photoelectric conversion efficiency is low and the hydrogen generation site by the water splitting reaction Since the oxygen generation site is inseparable on the suspended photocatalyst particles, the product gas must be recovered as a mixed gas.

また、酸化物導電体上に光触媒を堆積し、対極として適当な触媒を使用すれば、水素生成サイトと酸素生成サイトを分離して逆反応を抑制すると共に水素ガスと酸素ガスを分離した状態で回収することができる。しかしながら酸化物導電体はコストが高くなるうえ、酸化物導電体と光触媒のエネルギー準位のマッチングが難しいという問題があった。   In addition, if a photocatalyst is deposited on the oxide conductor and an appropriate catalyst is used as the counter electrode, the hydrogen generation site and the oxygen generation site are separated to suppress the reverse reaction and the hydrogen gas and the oxygen gas are separated. It can be recovered. However, the oxide conductor has a problem that the cost is high and it is difficult to match the energy levels of the oxide conductor and the photocatalyst.

一方、金属電極(金属支持体)は、酸化物導電体電極に比べ、加工性、形状制御性およびコスト面において優れている。さらに、金属は高い導電性(伝導電子密度)を持つことから光触媒との導通をとりやすく、金属支持体上に堆積した光触媒に適当な電圧をかけることにより、光触媒反応を促進することができる。パンチングメタルや多数の貫通細孔を持つ金属基板に光触媒および白金を堆積し、これらを対にしてプロトン伝導膜を介して水分解を行う方法が提案されている(特許文献1)。   On the other hand, a metal electrode (metal support) is superior in terms of workability, shape controllability, and cost compared to an oxide conductor electrode. Furthermore, since the metal has high conductivity (conducting electron density), it is easy to conduct with the photocatalyst, and the photocatalytic reaction can be promoted by applying an appropriate voltage to the photocatalyst deposited on the metal support. There has been proposed a method in which a photocatalyst and platinum are deposited on a punching metal or a metal substrate having a large number of through-holes, and water is decomposed through a proton conducting membrane by pairing them (Patent Document 1).

金属支持体上への光触媒の堆積方法としては、真空蒸着法やスパッタリング法に代表される物理気相成長(PVD)法や化学気相成長(CVD)法、スピンコーティングやスクリーン印刷に代表される塗布法やゾル−ゲル法、電気泳動法に代表される液相成長法が知られており、中でも電気泳動電着(EPD)によるコーティング法(非特許文献5、特許文献2) は大面積で複雑な形状を持つ電極に対し、安価でコーティング膜厚制御が容易な手法として注目されている。   As a method for depositing a photocatalyst on a metal support, a physical vapor deposition (PVD) method or a chemical vapor deposition (CVD) method represented by a vacuum deposition method or a sputtering method, a spin coating or a screen printing is represented. Liquid phase growth methods represented by coating methods, sol-gel methods, and electrophoresis methods are known. Among them, coating methods by electrophoretic electrodeposition (EPD) (Non-Patent Documents 5 and 2) have a large area. Attention has been focused on an electrode having a complicated shape as an inexpensive and easy-to-control coating film thickness method.

しかしながら、塗布法や電気泳動電着法など、溶液中に懸濁させた光触媒粒子を出発原料として金属支持体に堆積する場合、もともとの光触媒粒子のサイズが大きいため、金属支持体表面に密に堆積するのが難しいという欠点があった。また支持体表面−光触媒粒子間、および光触媒粒子同士の接触面が小さいために抵抗が生じ、光触媒膜内部の電子伝導性、および光触媒−支持体表面間の電子伝導性が著しく低下してしまうという問題があった。   However, when photocatalyst particles suspended in a solution are deposited on a metal support as a starting material, such as a coating method or an electrophoretic electrodeposition method, the original photocatalyst particles are large in size, so that the surface of the metal support is closely packed. There was the disadvantage that it was difficult to deposit. In addition, resistance occurs because the contact surface between the support surface and the photocatalyst particles and between the photocatalyst particles is small, and the electron conductivity inside the photocatalyst film and the electron conductivity between the photocatalyst and the support surface are significantly reduced. There was a problem.

光触媒粒子間、および光触媒−支持体間の電子伝導性を向上させるために、使用する光触媒よりも高い伝導性を持つ半導体もしくは良導体で光触媒粒子の周囲を覆う手法が提案されている。例えば、光触媒である酸化鉄もしくは酸化タングステン粒子の周囲をチタン、アルミニウム、アンチモン、スズ、亜鉛、ジルコニウム等の酸化物半導体で覆い、導電性を向上させる方法が提案されている(特許文献3)。   In order to improve the electron conductivity between the photocatalyst particles and between the photocatalyst and the support, a method of covering the periphery of the photocatalyst particles with a semiconductor or a good conductor having higher conductivity than the photocatalyst to be used has been proposed. For example, a method has been proposed in which the periphery of iron oxide or tungsten oxide particles as a photocatalyst is covered with an oxide semiconductor such as titanium, aluminum, antimony, tin, zinc, or zirconium to improve conductivity (Patent Document 3).

しかしながら、光触媒である酸化鉄や酸化タングステンに対し、酸化チタンなどの光触媒と異なる金属種の酸化物を導電体として用いた場合、それぞれのエネルギーレベルが大きく異なるためにレベルのミスマッチが生じ、これが抵抗となって導電性が低下してしまう問題があった。   However, when iron oxide or tungsten oxide, which is a photocatalyst, is used as a conductor, an oxide of a metal species different from the photocatalyst such as titanium oxide, the level of energy differs greatly, resulting in a level mismatch, which is a resistance. As a result, there is a problem that the conductivity is lowered.

特開2001−286749号公報JP 2001-286749 A 特開2006−297230号公報JP 2006-297230 A GB200416616AGB200416616A

Chem.Soc.Rev.,2009,38,253−278Chem. Soc. Rev. , 2009, 38, 253-278 J.Am.Chem.Soc.,2005,127,4150−4151J. et al. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 4150-4151 J.Am.Chem.Soc.,2005,127,8286−8287J. et al. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 8286-8287 J.Phys.Chem.C 2009,113,6156−6162J. et al. Phys. Chem. C 2009, 113, 6156-6162 J.Phys.Chem.B 2001,105,10893−10899J. et al. Phys. Chem. B 2001, 105, 10893-10899

本発明は、光水分解反応用の電極であって、光触媒粒子を支持体上に堆積させ、光触媒粒子間および光触媒−支持体間に、抵抗を減ずるための半導体または良導体を有するものとして、光触媒層の電子伝導性を良好にし、光電変換効率を向上させることにより、光照射下における光水分解反応速度を飛躍的に増大させることができる、効率的で工業的に有利な水素製造用の光水分解反応用電極を提供することを目的とする。   The present invention relates to a photocatalyst as an electrode for photohydrolysis reaction, having photocatalyst particles deposited on a support and having a semiconductor or a good conductor for reducing resistance between the photocatalyst particles and between the photocatalyst and the support. Efficient and industrially advantageous light for hydrogen production, which can dramatically increase the photo-hydrolysis reaction rate under light irradiation by improving the electron conductivity of the layer and improving the photoelectric conversion efficiency An object is to provide an electrode for water splitting reaction.

本発明者らは、上記の課題を解決すべく鋭意検討し、以下の事項を見出すに至った。
(1)光触媒成分であるオキシナイトライド、ナイトライド、オキシサルファイド、サルファイドを合成し、この粒子を支持体上に堆積した後に、光触媒の粒子間抵抗および光触媒−支持体間の抵抗を低減する処理を実施する。
(2)光触媒の粒子間抵抗および光触媒−支持体間の抵抗を低減する処理として、光触媒粒子の周囲に半導体もしくは良導体を付与する。
(3)該半導体もしくは良導体としては、用いる光触媒とエネルギーレベルが近いか、もしくは金属のように十分な伝導電子密度を持ち、かつ水分解反応の逆反応や、光触媒電極が触媒する水分解反応の対極で進行する反応を触媒しないものとする。また、簡便な操作で光触媒粒子の周囲に付与できるものとする。
The present inventors diligently studied to solve the above problems, and have found the following matters.
(1) Treatment for reducing photocatalyst interparticle resistance and photocatalyst-support resistance after synthesizing oxynitride, nitride, oxysulfide, and sulfide as photocatalyst components and depositing the particles on the support. To implement.
(2) As a treatment for reducing the resistance between the particles of the photocatalyst and the resistance between the photocatalyst and the support, a semiconductor or a good conductor is provided around the photocatalyst particles.
(3) The semiconductor or good conductor has an energy level close to that of the photocatalyst used, or has a sufficient conduction electron density like a metal, and is a reverse reaction of the water splitting reaction or a water splitting reaction catalyzed by the photocatalytic electrode. The reaction that proceeds at the counter electrode shall not be catalyzed. Further, it can be applied around the photocatalyst particles by a simple operation.

以上の検討事項を元に、本発明者らは以下の発明を完成させた。なお、本発明の理解を容易にするために添付図面の参照符号を括弧書きにて付記するが、これにより本発明が図示の形態に限定されるものではない。
第1の本発明は、光触媒粒子を構成する光触媒として、オキシナイトライド、ナイトライド、オキシサルファイド、および、サルファイドからなる群から選ばれる1種以上が支持体上に堆積されてなるとともに、前記光触媒粒子の周囲に半導体または良導体が付与された光水分解反応用電極の製造方法であって、前記半導体または良導体が、TiN、TiO、Ta、TaON、ZnO、SnO、ITO、Ag、Au、C、Cu、Cd、Co、Cr、Fe、Ga、Ge、Hg、Ir、In、Mn、Mo、Ni、Nb、Pb、Ru、Re、Rh、Sn、Sb、Ta、Ti、V、W、並びに、これらの合金および混合物から選ばれるいずれかであり、前記半導体または良導体の前駆体溶液に前記光触媒粒子を浸漬して、該半導体または良導体の前駆体で該光触媒粒子をコーティングした後、熱分解処理を行うことを特徴とする、光水分解反応用電極の製造方法である。
第2の本発明は、光触媒粒子を構成する光触媒として、オキシナイトライド、ナイトライド、オキシサルファイド、および、サルファイドからなる群から選ばれる1種以上が支持体上に堆積されてなる電極であって、前記光触媒粒子間ならびに前記光触媒粒子および前記支持体間に半導体または良導体を有し、且つ、前記半導体または良導体が、TiN、TiO、Ta、TaON、ZnO、SnO、ITO、Ag、Au、C、Cu、Cd、Co、Cr、Fe、Ga、Ge、Hg、Ir、In、Mn、Mo、Ni、Nb、Pb、Ru、Re、Rh、Sn、Sb、Ta、Ti、V、W、並びに、これらの合金および混合物から選ばれるいずれかであり、前記半導体または良導体の前駆体で前記光触媒粒子および前記支持体表面をコーティングした後に熱処理を行うことにより、前記光触媒粒子間ならびに前記光触媒粒子および前記支持体間に半導体または良導体が付与されていることを特徴とする、光水分解反応用電極である。
第3の本発明は、光触媒粒子を構成する光触媒として、オキシナイトライド、ナイトライド、オキシサルファイド、および、サルファイドからなる群から選ばれる1種以上が支持体上に堆積されてなる光水分解反応用電極の製造方法であって、前記光触媒粒子間ならびに前記光触媒粒子および前記支持体間に半導体または良導体を有し、且つ、前記半導体または良導体が、TiN、TiO、Ta、TaON、ZnO、SnO、ITO、Ag、Au、C、Cu、Cd、Co、Cr、Fe、Ga、Ge、Hg、Ir、In、Mn、Mo、Ni、Nb、Pb、Ru、Re、Rh、Sn、Sb、Ta、Ti、V、W、並びに、これらの合金および混合物から選ばれるいずれかであり、前記半導体または良導体の前駆体で前記光触媒粒子および前記支持体表面をコーティングした後に熱処理を行うことにより、前記光触媒粒子間ならびに前記光触媒粒子および前記支持体間に前記半導体または前記良導体を付与することを特徴とする、光水分解反応用電極の製造方法である。
Based on the above considerations, the present inventors have completed the following invention. In order to facilitate understanding of the present invention, reference numerals in the accompanying drawings are added in parentheses, but the present invention is not limited to the illustrated embodiment.
According to the first aspect of the present invention, at least one selected from the group consisting of oxynitride, nitride, oxysulfide, and sulfide is deposited on a support as a photocatalyst constituting the photocatalyst particles, and the photocatalyst A method for producing an electrode for photohydrolysis reaction in which a semiconductor or a good conductor is provided around particles, wherein the semiconductor or the good conductor is TiN, TiO 2 , Ta 3 N 5 , TaON, ZnO, SnO 2 , ITO, Ag , Au, C, Cu, Cd, Co, Cr, Fe, Ga, Ge, Hg, Ir, In, Mn, Mo, Ni, Nb, Pb, Ru, Re, Rh, Sn, Sb, Ta, Ti, V , W, and alloys and mixtures thereof, the photocatalyst particles are immersed in the semiconductor or good conductor precursor solution, After coating the photocatalyst particles in the precursor conductor, and performing thermal decomposition process, a method for manufacturing an optical water decomposition reaction electrode.
The second aspect of the present invention is an electrode in which at least one selected from the group consisting of oxynitride, nitride, oxysulfide, and sulfide is deposited on a support as a photocatalyst constituting photocatalyst particles. And between the photocatalyst particles and between the photocatalyst particles and the support, and the semiconductor or good conductor is TiN, TiO 2 , Ta 3 N 5 , TaON, ZnO, SnO 2 , ITO, Ag , Au, C, Cu, Cd, Co, Cr, Fe, Ga, Ge, Hg, Ir, In, Mn, Mo, Ni, Nb, Pb, Ru, Re, Rh, Sn, Sb, Ta, Ti, V , W, and alloys and mixtures thereof, and the photocatalyst particles and the support surface with the precursor of the semiconductor or good conductor. By performing the heat treatment after computing, wherein the semiconductor or conductor has been applied between the between the photocatalyst particles and the photocatalyst particles and the support, a light-water decomposition reaction electrode.
The third aspect of the present invention is a photohydrolysis reaction in which at least one selected from the group consisting of oxynitride, nitride, oxysulfide, and sulfide is deposited on a support as a photocatalyst constituting photocatalyst particles. A method for producing an electrode for a semiconductor, comprising a semiconductor or a good conductor between the photocatalyst particles and between the photocatalyst particles and the support, wherein the semiconductor or good conductor is TiN, TiO 2 , Ta 3 N 5 , TaON, ZnO, SnO 2, ITO, Ag , Au, C, Cu, Cd, Co, Cr, Fe, Ga, Ge, Hg, Ir, In, Mn, Mo, Ni, Nb, Pb, Ru, Re, Rh, Sn , Sb, Ta, Ti, V, W, and alloys and mixtures thereof, and the photocatalyst particles in the semiconductor or good conductor precursor And applying a heat treatment after coating the surface of the support to provide the semiconductor or the good conductor between the photocatalyst particles and between the photocatalyst particles and the support. It is a manufacturing method.

本発明において、光触媒粒子(10)は、LaTiON、CaNbON、または、Ga1−xZn1−x(xは、0〜1の数値を表す。)のいずれかの粒子、あるいは、これらの二種以上の混合物であることが好ましい。 In the present invention, the photocatalyst particles (10) are either LaTiO 2 N, CaNbO 2 N, or Ga 1-x Zn x N 1-x O x (x represents a numerical value of 0 to 1 ). Particles or a mixture of two or more of these are preferred.

本発明において、半導体または良導体(30)は、支持体(20)の金属と同一の元素を含むことが好ましい。   In the present invention, the semiconductor or good conductor (30) preferably contains the same element as the metal of the support (20).

本発明において、支持体(20)は、チタン、チタン合金、または、チタン若しくはチタン合金を表面にコートした金属のいずれかであることが好ましい。   In the present invention, the support (20) is preferably titanium, a titanium alloy, or a metal whose surface is coated with titanium or a titanium alloy.

本発明において、半導体または良導体(30)はチタンを含むことが好ましい。また、半導体または良導体(30)はTiNであることが好ましい。   In the present invention, the semiconductor or good conductor (30) preferably contains titanium. The semiconductor or good conductor (30) is preferably TiN.

本発明において、支持体(20)の形状は、パンチングメタル状、メッシュ状、格子状、または、貫通した細孔を持つ多孔体のいずれかであることが好ましい。   In the present invention, the shape of the support (20) is preferably a punching metal shape, a mesh shape, a lattice shape, or a porous body having penetrating pores.

本発明によれば、支持体(20)上に光触媒粒子(10)を堆積した光水分解反応用電極において、光触媒粒子(10)の周囲に半導体または良導体(30)を有するものとすることによって電極の内部抵抗を低下させ、光電変換効率を向上させることができる。
本発明によれば、光照射によって光触媒内部に生じた電子と正孔のうち、電子を半導体または良導体(30)へ誘導することによって再結合を抑制し、光電変換効率を向上させることができる。
According to the present invention, in the electrode for water splitting reaction in which the photocatalyst particles (10) are deposited on the support (20), the semiconductor or the good conductor (30) is provided around the photocatalyst particles (10). The internal resistance of the electrode can be reduced and the photoelectric conversion efficiency can be improved.
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, recombination can be suppressed by inducing an electron to a semiconductor or a good conductor (30) among the electron and the hole which arose inside the photocatalyst by light irradiation, and a photoelectric conversion efficiency can be improved.

本発明の光水分解反応用電極の拡大断面図である。It is an expanded sectional view of the electrode for photohydrolysis reaction of the present invention. 実施例1において、光電流密度を観測した光電気化学セルを模式的に示した図である。In Example 1, it is the figure which showed typically the photoelectrochemical cell which observed the photocurrent density. 実施例1に示した、LaTiON/TiN/Ti電極の0.6V vs.Ag/AgClにおける光電流密度のTiCl浸漬回数に対する依存性を観測した結果である。The LaTiO 2 N / TiN / Ti electrode 0.6 V vs. It is the result of observation of the dependency on TiCl 4 number of dips of the photocurrent density in Ag / AgCl. (a)はLaTiON/Ti電極の走査型電子顕微鏡写真、(b)はTiCl溶液への浸漬(10回)後の走査型電子顕微鏡写真、(c)はTiCl溶液への浸漬(20回)後の走査型電子顕微鏡写真、(d)はTiCl溶液への浸漬(30回)後の走査型電子顕微鏡写真である。それぞれ倍率は、250倍である。(A) is a scanning electron micrograph of LaTiO 2 N / Ti electrode, (b) is TiCl 4 dipping into a solution (10 times) after the scanning electron micrographs, (c) immersion of the TiCl 4 solution ( (D) is a scanning electron micrograph after immersion (30 times) in a TiCl 4 solution. Each magnification is 250 times. (a)はLaTiON/Ti電極の走査型電子顕微鏡写真(倍率:3000倍)、(b)はTiCl溶液への浸漬(30回)後の走査型電子顕微鏡写真(倍率:5000倍)である。(A) Scanning electron micrograph of LaTiO 2 N / Ti electrode (magnification: 3000 times), (b) Scanning electron micrograph after immersion (30 times) in TiCl 4 solution (magnification: 5000 times) It is. LaTiON/Ti電極(下のグラフ)、および、実施例1のLaTiON/TiN/Ti電極(TiCl処理回数:20回、上のグラフ)の光電流観測結果である。LaTiO 2 N / Ti electrode (the lower graph), and, LaTiO 2 N / TiN / Ti electrode in Example 1 (TiCl 4 treatment times: 20 times, top graph) is a light current observations. 実施例1のLaTiON/TiN/Ti電極(TiCl処理回数:20回、下のグラフ)、および、助触媒としてIrOを用いたIrO/LaTiON/TiN/Ti電極(上のグラフ)の光電流観測結果である。LaTiO 2 N / TiN / Ti electrode of Example 1 (TiCl 4 treatment frequency: 20 times, lower graph), and IrO 2 / LaTiO 2 N / TiN / Ti electrode using IrO 2 as a cocatalyst (top) It is a photocurrent observation result of (graph). LaTiONをNb:SrTiO上にスパッタリングによって堆積した光触媒電極の光電流観測結果である(出典:非特許文献4)。上のグラフが助触媒としてIrOを添加した場合、下のグラフがこれを添加しない場合である。The LaTiO 2 N Nb: an optical current observations of the photocatalyst electrodes deposited by sputtering on the SrTiO 3 (Source: Non-Patent Document 4). The upper graph shows the case where IrO 2 is added as a promoter, and the lower graph shows the case where this is not added. 水分解反応装置(二電極系)の概念図である。It is a conceptual diagram of a water splitting reaction apparatus (two electrode system).

<水分解反応装置(二電極系)>
図9に、水分解反応装置(二電極系)の概念図を示す。図9においては、光触媒電極61と対極63とが導体64により接続され、それぞれ電解質水溶液65に浸漬されている。光触媒電極61と対極63の電解液は、隔膜またはイオン交換膜62により隔てられている。図9では、アノードとして本発明の光触媒電極61を用い、カソードとして対極63を用いているが、カソードに本発明の光触媒電極を用いてもよいし、また、アノードおよびカソード共に、本発明の光触媒電極を用いてもよい。なお、カソードに本発明の光触媒電極を用いた場合は、太陽光はカソード側から取り入れるようにし、また、アノードおよびカソード共に、本発明の光触媒電極を用いた場合は、太陽光はアノードおよびカソード両方の側から取り入れる。
<Water splitting reactor (two electrode system)>
In FIG. 9, the conceptual diagram of a water splitting reaction apparatus (two electrode system) is shown. In FIG. 9, the photocatalytic electrode 61 and the counter electrode 63 are connected by a conductor 64 and are each immersed in an aqueous electrolyte solution 65. The electrolyte solution of the photocatalyst electrode 61 and the counter electrode 63 is separated by a diaphragm or an ion exchange membrane 62. In FIG. 9, the photocatalyst electrode 61 of the present invention is used as the anode and the counter electrode 63 is used as the cathode. However, the photocatalyst electrode of the present invention may be used as the cathode, and the photocatalyst of the present invention may be used for both the anode and the cathode. An electrode may be used. When the photocatalytic electrode of the present invention is used for the cathode, sunlight is taken from the cathode side, and when the photocatalytic electrode of the present invention is used for both the anode and the cathode, the sunlight is both for the anode and the cathode. Take in from the side.

一般的に、水素ガスと酸素ガスを別々に回収する水分解反応装置においては、光触媒電極と対極とで構成される二電極系を使用する。二電極系での水の分解反応において、酸性溶液中では、各々の電極上で以下の反応が進行している。
(アノード)HO+2h→1/2O+2H
(カソード)2H+2e→H
(h:正孔、e:電子)
In general, in a water splitting reaction apparatus that separately collects hydrogen gas and oxygen gas, a two-electrode system including a photocatalytic electrode and a counter electrode is used. In the decomposition reaction of water in a two-electrode system, the following reaction proceeds on each electrode in an acidic solution.
(Anode) H 2 O + 2h + → 1 / 2O 2 + 2H +
(Cathode) 2H + + 2e → H 2
(H + : hole, e : electron)

また、中性溶液中では、各々の電極上で以下の反応が進行している。
(アノード)HO+2h→1/2O+2H
(カソード)2HO+2e→H+2OH
Further, in the neutral solution, the following reaction proceeds on each electrode.
(Anode) H 2 O + 2h + → 1 / 2O 2 + 2H +
(Cathode) 2H 2 O + 2e → H 2 + 2OH

また、塩基性溶液中では、各々の電極上で以下の反応が進行している。
(アノード)2OH+2h→1/2O+H
(カソード)2HO+2e→H+2OH
In the basic solution, the following reaction proceeds on each electrode.
(Anode) 2OH + 2h + → 1 / 2O 2 + H 2 O
(Cathode) 2H 2 O + 2e → H 2 + 2OH

このとき、光励起された触媒表面の電子(e)もしくは正孔(h)と反応物質とが、いかに効率よく関与するかということと、電子と正孔との再結合を抑制し、生成した電子をいかに対極側へ効率よく誘導するかということが重要である。特に光触媒粒子間抵抗や光触媒粒子−支持体間の抵抗は電子伝導を阻害するため、これを可能な限り低減する必要がある。以下、光触媒粒子間抵抗や光触媒粒子−支持体間の抵抗を低下させることができ、光電変換効率を向上させることができる、本発明の光水分解反応用電極について説明する。 At this time, how efficiently the electrons (e ) or holes (h + ) on the surface of the photoexcited catalyst and the reactants are involved, and the recombination of electrons and holes is suppressed and generated. It is important how to efficiently guide the generated electrons to the counter electrode side. In particular, the resistance between the photocatalyst particles and the resistance between the photocatalyst particles and the support impede electron conduction, and therefore it is necessary to reduce them as much as possible. Hereinafter, the photocatalytic particle electrode of the present invention that can reduce the resistance between photocatalyst particles and the resistance between the photocatalyst particles and the support and can improve the photoelectric conversion efficiency will be described.

<光水分解反応用電極>
本発明の光水分解反応用電極の構成について説明する。
図1に本発明の光水分解反応用電極の一実施形態の拡大断面図を模式的に示す。本発明の光水分解反応用電極は、光触媒粒子10、支持体20、ならびに、光触媒粒子間および光触媒粒子−支持体間に付与した半導体または良導体30で構成される。
<Photo water splitting electrode>
The structure of the electrode for photohydrolysis reaction of the present invention will be described.
FIG. 1 schematically shows an enlarged cross-sectional view of an embodiment of the electrode for photohydrolysis reaction of the present invention. The electrode for photohydrolysis reaction of the present invention comprises the photocatalyst particles 10, the support 20, and the semiconductor or good conductor 30 provided between the photocatalyst particles and between the photocatalyst particles and the support.

(光触媒粒子10)
光触媒粒子10を構成する光触媒としては、次の条件を満たしていればいかなる化合物でもよい。(1)光照射によって生成する電子の電位が水素イオンもしくは水分子を水素分子に還元できる電位よりも負であること、もしくは光照射によって生成する正孔の電位が水もしくは水酸化物イオンを酸素分子に酸化できる電位よりも正であること。(2)光触媒が水溶液中で光照射され、水分解反応が進行しても安定であること。光触媒粒子10の粒子径は、その性能を発揮するものであれば特に限定されるものではないが、通常1nm以上であり、好ましくは10nm以上であり、通常100μm以下であり、好ましくは10μm以下である。
(Photocatalyst particles 10)
The photocatalyst constituting the photocatalyst particle 10 may be any compound as long as the following conditions are satisfied. (1) The potential of electrons generated by light irradiation is more negative than the potential at which hydrogen ions or water molecules can be reduced to hydrogen molecules, or the potential of holes generated by light irradiation is oxygen in water or hydroxide ions. Be more positive than the potential that can be oxidized to a molecule. (2) The photocatalyst is stable even if it is irradiated with light in an aqueous solution and the water splitting reaction proceeds. The particle diameter of the photocatalyst particle 10 is not particularly limited as long as it exhibits its performance, but is usually 1 nm or more, preferably 10 nm or more, usually 100 μm or less, preferably 10 μm or less. is there.

水素イオンもしくは水を還元する、水素発生側の光触媒としては、具体的には、Cr、Sb、Ta、Rh等をドープしたSrTiO、Cr、Fe等をドープしたLaTi、SnNbなどの酸化物;LaTiON、TaON、Ta、CaTaON、SrTaON、BaTaON、LaTaON、YTa、GaN、MgをドープしたGaN、Ge、Zn1+xGeN、Ga1−xZn1−x(xは、0〜1の数値を表す。)などのオキシナイトライドもしくはナイトライド化合物;や、ZnS、Cu、Ni、PbをドープしたZnS、AgをドープしたCdS、CdZn1−xS(xは、0〜1の数値を表す。)、CuInS、CuIn、CuGa、CuGaS、AgGaS、AgGa0.9In0.1、AgIn、NaInS、AgInZn、CuInGaS、Cu0.09In0.09Zn1.82、Cu0.25Ag0.25In0.5ZnS、CuZnSnSなどのサルファイド化合物;SmTiなどのオキシサルファイド化合物;La、Inを含むオキシサルファイド化合物(Chemistry Letters 2007, 36, 854−855)、CuInGaSe、などのセレナイドを挙げることができるが、例示した材料に限定されるものではない。 As a photocatalyst on the hydrogen generation side that reduces hydrogen ions or water, specifically, SrTiO 3 doped with Cr, Sb, Ta, Rh, etc., LaTi 2 O 7 doped with Cr, Fe, etc., SnNb 2 O Oxides such as 6 ; LaTiO 2 N, TaON, Ta 3 N 5 , CaTaO 2 N, SrTaO 2 N, BaTaO 2 N, LaTaO 2 N, Y 2 Ta 2 O 5 N 2 , GaN doped with Mg, GaN, Oxynitride or nitride compounds such as Ge 3 N 4 , Zn 1 + x GeN 2 O x , Ga 1-x Zn x N 1-x O x (x represents a numerical value of 0 to 1 ); and ZnS ZnS doped with Cu, Ni, Pb, CdS doped with Ag, Cd x Zn 1-x S (x represents a numerical value of 0 to 1 ), CuInS 2 , Cu In 5 S 8 , CuGa 5 S 8 , CuGaS 2 , AgGaS 2 , AgGa 0.9 In 0.1 S 2 , AgIn 5 S 8 , NaInS 2 , AgInZn 7 S 9 , CuInGaS 2 , Cu 0.09 In 0. 09 Sulfide compounds such as Zn 1.82 S 2 , Cu 0.25 Ag 0.25 In 0.5 ZnS 2 , Cu 2 ZnSnS 4 ; Oxysulfide compounds such as Sm 2 Ti 2 O 5 S 2 ; La, In Examples thereof include selenides such as oxysulfide compounds (Chemistry Letters 2007, 36, 854-855) and CuInGaSe 2 , but are not limited to the exemplified materials.

水分子もしくは水酸化物イオンを酸素分子に酸化する、酸素発生側の光触媒としては、具体的にはCr、Ni、Sb、Nb、Th、Sb等をドープしたTiOやWO、BiWO、BiMoO、In(ZnO)、PbBiNb、BiVO、AgVO、AgLi1/3Ti2/3、AgLi1/3Sn2/3などの酸化物のほか、LaTiON、CaNbON、TaON、Ta、CaTaON、SrTaON、BaTaON、LaTaON、YTa、GaN、MgをドープしたGaN、Ge、Zn1+xGeN、Ga1−xZn1−x(xは、0〜1の数値を表す。)などのオキシナイトライドもしくはナイトライド化合物や、SmTiなどのオキシサルファイド化合物を用いることができるが、例示した材料に限定されるものではない。 As a photocatalyst on the oxygen generation side that oxidizes water molecules or hydroxide ions to oxygen molecules, specifically, TiO 2 doped with Cr, Ni, Sb, Nb, Th, Sb, etc., WO 3 , Bi 2 WO 6 , Bi 2 MoO 6 , In 2 O 3 (ZnO) 3 , PbBi 2 Nb 2 O 9 , BiVO 4 , Ag 3 VO 4 , AgLi 1/3 Ti 2/3 O 2 , AgLi 1/3 Sn 2/3 other oxides, such as O 2, LaTiO 2 N, CaNbO 2 N, TaON, Ta 3 N 5, CaTaO 2 N, SrTaO 2 N, BaTaO 2 N, LaTaO 2 N, Y 2 Ta 2 O 5 N 2, GaN , GaN doped with Mg, Ge 3 N 4 , Zn 1 + x GeN 2 O x , Ga 1-x Zn x N 1-x O x (x represents a numerical value of 0 to 1 ) and the like. Although it is possible to use an itide or nitride compound or an oxysulfide compound such as Sm 2 Ti 2 O 5 S 2 , the material is not limited to the exemplified materials.

光触媒としては、オキシナイトライド、ナイトライド、オキシサルファイド、および、サルファイドからなる群から選ばれる1種以上の光触媒、中でも、LaTiON、CaNbON、Ga1−xZn1−x(xは、0〜1の数値を表す。)、CuZnSnSを用いることが、光触媒活性が高いこと、地上における存在量が豊富であること、価格が低い点から好ましい。
上記した光触媒は、従来の公知の方法(例えば、J.Phys.Chem.B 2003,107,791−797)により合成することができる。
As a photocatalyst, at least one photocatalyst selected from the group consisting of oxynitride, nitride, oxysulfide, and sulfide, among them, LaTiO 2 N, CaNbO 2 N, Ga 1-x Zn x N 1-x O It is preferable to use x (x represents a numerical value of 0 to 1) and Cu 2 ZnSnS 4 because of high photocatalytic activity, abundant abundance on the ground, and low cost.
The above-described photocatalyst can be synthesized by a conventionally known method (for example, J. Phys. Chem. B 2003, 107, 791-797).

上記光触媒には、必要に応じて助触媒を使用することができる。水素発生側の光触媒の助触媒としては、具体的にはPt、Pd、Rh、Ru、Ni、Au、Fe、NiO、RuO、およびCr‐Rh酸化物等を挙げることができる。酸素発生側の光触媒の助触媒としては、具体的にはIrO、Pt、Co、Fe、C、Ni、Ag、CoO、Co等を挙げることができるが、例示した材料に限定されるものではない。 A cocatalyst can be used for the photocatalyst as needed. Specific examples of the cocatalyst for the photocatalyst on the hydrogen generation side include Pt, Pd, Rh, Ru, Ni, Au, Fe, NiO, RuO 2 , and Cr—Rh oxide. Specific examples of the cocatalyst for the photocatalyst on the oxygen generation side include IrO 2 , Pt, Co, Fe, C, Ni, Ag, CoO, and Co 3 O 4, but are limited to the exemplified materials. It is not something.

(支持体20)
支持体20としては、金属または非金属の支持体を用いることができる。また、支持体20としては、金属、あるいは、カーボン(グラファイト)または酸化物伝導体等の非金属の導電材料により形成された導電性支持体を用いることが好ましい。中でも、良好な加工性を有することから、金属支持体を用いることが特に好ましい。金属支持体としては、良好な電気伝導性を示す元素の単体、もしくは合金を用いることができる。元素の単体とは、具体的にはAl、Au、Cu、Mo、Ni、Pd、Pt、Ti、Wなどを挙げることができる。一方合金とは、具体的にはステンレス鋼、炭素鋼、チタン合金、アルミニウム合金などを挙げることができるが、例示した材料に限定されるものではない。中でも、電解質溶液中において、広いpH範囲で安定であり、高い電気伝導性を示す点から、金属支持体としては、チタン、チタン合金、または、チタンもしくはチタン合金を表面にコートした金属を用いることが好ましい。
(Support 20)
As the support 20, a metal or non-metal support can be used. The support 20 is preferably a conductive support formed of a metal or a non-metallic conductive material such as carbon (graphite) or an oxide conductor. Among them, it is particularly preferable to use a metal support because it has good workability. As the metal support, a simple substance or an alloy of an element exhibiting good electrical conductivity can be used. Specific examples of the elemental element include Al, Au, Cu, Mo, Ni, Pd, Pt, Ti, and W. On the other hand, specific examples of the alloy include stainless steel, carbon steel, titanium alloy, and aluminum alloy, but are not limited to the exemplified materials. Above all, titanium, titanium alloy, or metal coated on the surface of titanium or titanium alloy is used as the metal support because it is stable in an electrolyte solution in a wide pH range and exhibits high electrical conductivity. Is preferred.

支持体20の形状としては、光触媒粒子10を表面に堆積できる形状であれば特に限定されないが、生成イオンを対極に迅速に輸送する必要がある点から、パンチングメタル状、メッシュ状、格子状、または、貫通した細孔を持つ多孔体のいずれかであることが好ましい。   The shape of the support 20 is not particularly limited as long as the photocatalyst particles 10 can be deposited on the surface, but from the point that it is necessary to quickly transport the generated ions to the counter electrode, a punching metal shape, a mesh shape, a lattice shape, Or it is preferable that it is either the porous body which has the through-hole.

(半導体または良導体30)
半導体または良導体30としては、良好な電気伝導性を示し、かつ水分解反応の逆反応や光触媒の水分解反応の対となる反応を触媒しない材料を使用することができる。具体的には、TiN、TiO、Ta、TaON、ZnO、SnO、ITO、Ag、Au、C、Cu、Cd、Co、Cr、Fe、Ga、Ge、Hg、Ir、In、Mn、Mo、Ni、Nb、Pb、Ru、Re、Rh、Sn、Sb、Ta、Ti、V、W、並びに、これらの合金および混合物が挙げられるが、例示した材料に限定されるものではない。
(Semiconductor or good conductor 30)
As the semiconductor or the good conductor 30, a material that exhibits good electrical conductivity and does not catalyze a reaction that is a reverse reaction of a water splitting reaction or a water splitting reaction of a photocatalyst can be used. Specifically, TiN, TiO 2, Ta 3 N 5, TaON, ZnO, SnO 2, ITO, Ag, Au, C, Cu, Cd, Co, Cr, Fe, Ga, Ge, Hg, Ir, In, Examples include Mn, Mo, Ni, Nb, Pb, Ru, Re, Rh, Sn, Sb, Ta, Ti, V, W, and alloys and mixtures thereof, but are not limited to the exemplified materials. .

また、伝導帯のエネルギー準位をなるべく近接させて電子移動をスムーズに行わせる点から、半導体または良導体30と支持体20とは、同一の元素を含んでいることが好ましい。また、支持体20としては、チタン、チタン合金、または、チタン若しくはチタン合金を表面にコートした金属のいずれかを用いることが好ましく、半導体または良導体30もチタンを含む材料であることが好ましい。中でも、チタンを含む材料としては、良好な電子伝導性を持つ点からTiNを用いることが好ましい。   Moreover, it is preferable that the semiconductor or the good conductor 30 and the support 20 contain the same element from the viewpoint that the energy level of the conduction band is as close as possible and the electron transfer is performed smoothly. The support 20 is preferably made of titanium, a titanium alloy, or a metal whose surface is coated with titanium or a titanium alloy, and the semiconductor or the good conductor 30 is also preferably a material containing titanium. Among these, TiN is preferably used as a material containing titanium from the viewpoint of having good electron conductivity.

また、それぞれの光触媒に相性の良い半導体または良導体30があり、例えば、光触媒として、Ti、Nを含むもの(例えば、LaTiON)を用いた場合は、半導体または良導体30としては、TiN、TiO、TiO2−x(xは0〜2の数値を表す。
)が好適に用いられる。
Further, each photocatalyst has a compatible semiconductor or good conductor 30. For example, when a photocatalyst containing Ti or N (for example, LaTiO 2 N) is used, the semiconductor or good conductor 30 may be TiN or TiO. 2 , TiO 2-x N x (x represents a numerical value of 0-2).
) Is preferably used.

(光水分解反応用電極の製法)
次に、本発明の光水分解反応用電極の製造方法について説明する。なお、以下に示す製造方法は、あくまで本発明の電極を製造するための方法の一実施形態であって、他の方法を排除する趣旨ではない。
支持体20は、機械的研磨、洗浄の後、光触媒粒子10を堆積する。光触媒粒子10の堆積には、真空蒸着法やスパッタリング法などの気相成長法、ゾルゲル法、塗布法、電気泳動電着法などを使用することができる。ここで、「堆積」とは、実質的に光触媒粒子の平均粒径の大きさ以上の厚みをもって積層することをいう。
(Production method of electrode for photo-water splitting reaction)
Next, the manufacturing method of the electrode for photohydrolysis reaction of this invention is demonstrated. In addition, the manufacturing method shown below is one Embodiment for the method for manufacturing the electrode of this invention to the last, Comprising: It is not the meaning which excludes another method.
The support 20 deposits the photocatalyst particles 10 after mechanical polishing and cleaning. For the deposition of the photocatalyst particles 10, a vapor phase growth method such as a vacuum evaporation method or a sputtering method, a sol-gel method, a coating method, an electrophoretic electrodeposition method, or the like can be used. Here, “deposition” refers to stacking with a thickness substantially equal to or larger than the average particle diameter of the photocatalyst particles.

光触媒粒子を堆積した電極は、空気中、50℃〜500℃程度で数分間乾燥させた後、半導体または良導体30の前躯体溶液に電極全体を数秒間浸漬する。その後、再び電極を空気中で50℃〜500℃程度で数秒間〜数分間乾燥する。この前駆体溶液への浸漬および空気中での乾燥を10回〜数10回繰り返す。このようにして十分な量の半導体または良導体30の前駆体で光触媒粒子および支持体表面をコーティングした後、熱分解処理を行う。このようにして、光触媒粒子間ならびに光触媒粒子−支持体間に、半導体または良導体30を付与する。なお、使用する光触媒粒子10、ならびに、半導体または良導体30に応じて、半導体または良導体の前駆体および熱処理方法は異なる。   The electrode on which the photocatalyst particles are deposited is dried in air at about 50 ° C. to 500 ° C. for several minutes, and then the entire electrode is immersed in the precursor solution of the semiconductor or good conductor 30 for several seconds. Thereafter, the electrode is again dried in air at about 50 ° C. to 500 ° C. for several seconds to several minutes. The immersion in the precursor solution and the drying in the air are repeated 10 times to several tens of times. After coating the photocatalyst particles and the support surface with a sufficient amount of the semiconductor or the precursor of the good conductor 30 in this way, a thermal decomposition treatment is performed. In this way, the semiconductor or good conductor 30 is applied between the photocatalyst particles and between the photocatalyst particles and the support. The precursor of the semiconductor or good conductor and the heat treatment method differ depending on the photocatalyst particles 10 and the semiconductor or good conductor 30 to be used.

例えば、光触媒粒子10としてLaTiON粒子を使用し、半導体または良導体30としてTiNを使用する場合、支持体20にLaTiON粒子を堆積させた後、該電極をTiClのメタノール溶液(半導体または良導体の前駆体溶液)に浸漬させ、空気中で乾燥させる。この処理を数回繰り返し、LaTiON/支持体からなる電極上にTiClを吸着させる。その後、この電極を、800℃、NH気流下で窒化処理を行い、TiClをTiNとする。これにより、LaTiON/TiN/支持体からなる本発明の電極が製造される。 For example, when LaTiO 2 N particles are used as the photocatalyst particles 10 and TiN is used as the semiconductor or good conductor 30, LaTiO 2 N particles are deposited on the support 20, and then the electrode is attached to a methanol solution of TiCl 4 (semiconductor or It is immersed in a precursor solution of a good conductor and dried in air. This process is repeated several times, and TiCl 4 is adsorbed on the electrode made of LaTiO 2 N / support. Thereafter, this electrode is subjected to nitriding treatment at 800 ° C. under an NH 3 gas stream to change TiCl 4 into TiN. Thereby, the electrode of the present invention consisting of LaTiO 2 N / TiN / support is produced.

半導体または良導体30を付与する量は、光触媒粒子10の光触媒作用を阻害せず、それでいて光触媒粒子間および光触媒粒子−支持体間の抵抗を減ずるに十分な最適値とすることが好ましい。具体的には、堆積された光触媒粒子10の量に対し、質量比で1%〜500%、好ましくは2%〜220%である。   The amount of the semiconductor or the good conductor 30 is preferably set to an optimum value sufficient to reduce the resistance between the photocatalyst particles and between the photocatalyst particles and the support without inhibiting the photocatalytic action of the photocatalyst particles 10. Specifically, the mass ratio is 1% to 500%, preferably 2% to 220% with respect to the amount of the deposited photocatalyst particles 10.

(実施例1)
La(NO・6HO、Ti(O−iPr)、クエン酸、エチレングリコールをメタノール中、モル比1:1:10:30となるように混合し、373Kで重合させた。さらに623Kで熱処理して炭化させた後、空気中923Kで焼成しLaとTiの複合酸化物前駆体を得た。この前駆体を100mL/分のNH気流下で1K/分で1123Kまで昇温したのちこの温度で15時間保ち、その後室温まで冷却してLaTiONを合成した。得られたLaTiON粉末とアセトン、ヨウ素の懸濁液を調製し、これにTiメッシュを浸漬、FTO(フッ素ドープ酸化スズ)を対極として10Vの電圧を1分間付加することにより、LaTiON/Ti電極を調製した。
Example 1
La (NO 3) 3 · 6H 2 O, Ti (O-iPr) 4, in the citric acid, ethylene glycol, methanol, molar ratio 1: 1: 10: 30 were mixed so that, was polymerized 373 K. Further, after heat treatment at 623K and carbonization, firing was performed in air at 923K to obtain a composite oxide precursor of La and Ti. This precursor was heated to 1123 K at 1 K / min under an NH 3 gas stream of 100 mL / min, then kept at this temperature for 15 hours, and then cooled to room temperature to synthesize LaTiO 2 N. A suspension of the obtained LaTiO 2 N powder, acetone, and iodine was prepared, a Ti mesh was immersed in this, and a voltage of 10 V was applied for 1 minute using FTO (fluorine-doped tin oxide) as a counter electrode, whereby LaTiO 2 N / Ti electrode was prepared.

さらにこのLaTiON/Ti電極を20mM TiCl/メタノール溶液に5秒間浸漬、空気中250℃で1分間乾燥させる、浸漬および乾燥処理を数回繰り返し、LaTiON/Ti表面上にTiClを吸着させた。このTiClを吸着させた電極を800℃、100mL/分のNH気流下で1時間窒化処理を行って、LaTiONの光触媒粒子が、Ti支持体上に堆積されてなり、光触媒粒子間ならびに光触媒粒子およびTi支持体間にTiNを有している本発明の電極(LaTiON/TiN/Ti電極)を得た。 Further, this LaTiO 2 N / Ti electrode was immersed in a 20 mM TiCl 4 / methanol solution for 5 seconds and dried in air at 250 ° C. for 1 minute. The immersion and drying processes were repeated several times, and TiCl 4 was deposited on the LaTiO 2 N / Ti surface. Adsorbed. This electrode on which TiCl 4 was adsorbed was subjected to nitriding treatment at 800 ° C. under an NH 3 stream of 100 mL / min for 1 hour, and LaTiO 2 N photocatalyst particles were deposited on the Ti support. In addition, an electrode of the present invention (LaTiO 2 N / TiN / Ti electrode) having TiN between the photocatalyst particles and the Ti support was obtained.

図2に光電流を測定するための光電気化学セルの模式図を示す。参照電極54としてAg/AgClを使用し、電解質溶液56として0.1M NaSO水溶液(pH=6)を使用した。カットフィルター52を介して光源51から、LaTiON/TiN/Tiメッシュ53に光を当て、発生する光電流を測定した。 FIG. 2 shows a schematic diagram of a photoelectrochemical cell for measuring photocurrent. Ag / AgCl was used as the reference electrode 54, and 0.1 M Na 2 SO 4 aqueous solution (pH = 6) was used as the electrolyte solution 56. Light was applied to the LaTiO 2 N / TiN / Ti mesh 53 from the light source 51 through the cut filter 52, and the generated photocurrent was measured.

図3にTiCl溶液への浸漬回数と、生成するLaTiON/TiN/Ti電極の0.6V vs.Ag/AgClにおける光電流密度(図2の装置で測定したもの。)との関係を示す。図3より、TiNの付与によって電極内部抵抗が減少して光電流密度が向上することが示された。浸漬回数0回のものでは、光電流密度は23μA/cmであったが、浸漬回数30回のものでは、光電流密度は75μA/cmと3倍以上も向上した。また、光電流密度は、浸漬回数が少ない場合は、浸漬回数に比例して増加するが、浸漬回数が増えると光電流密度は飽和する傾向がある。よって、光電流密度を向上させるための、最適な浸漬回数は20回〜30回であることが分かった。 FIG. 3 shows the number of immersions in the TiCl 4 solution and the resulting LaTiO 2 N / TiN / Ti electrode 0.6 V vs. The relationship with the photocurrent density (measured with the apparatus of FIG. 2) in Ag / AgCl is shown. FIG. 3 shows that application of TiN reduces the internal resistance of the electrode and improves the photocurrent density. When the number of immersions was 0, the photocurrent density was 23 μA / cm 2 , but when the number of immersions was 30 times, the photocurrent density was 75 μA / cm 2, which was improved by 3 times or more. Further, the photocurrent density increases in proportion to the number of immersions when the number of immersions is small, but the photocurrent density tends to be saturated when the number of immersions increases. Therefore, it was found that the optimal number of immersions for improving the photocurrent density is 20 to 30 times.

図4と図5にLaTiON/Ti電極およびLaTiON/TiN/Ti電極表面の走査型電子顕微鏡写真を示す。図4(a)は、TiCl溶液で処理していない電極(LaTiON/Ti電極)である。もとのTiメッシュ電極(触媒堆積前)の線径は100μmであり、図4(a)で観測された線径は約108〜109μm前後であることから、触媒の堆積量は約8〜9μmである。(b)がTiCl溶液への浸漬−乾燥を10回繰り返して1時間窒化処理を行った後の電極で、線径は約114μm、(c)がTiCl溶液への浸漬−乾燥を20回繰り返して1時間窒化処理を行った後の電極で、線径は約111μm、(d)がTiCl溶液への浸漬−乾燥を30回繰り返して1時間窒化処理を行った後の電極で、線径は約120μmである。図4(a)〜(d)は、それぞれ250倍の拡大写真である。数値の前後はあるが、全体の傾向として、浸漬回数が増えるごとに電極網の直径が増大していることが明らかである。 4 and 5 show scanning electron micrographs of the surfaces of the LaTiO 2 N / Ti electrode and the LaTiO 2 N / TiN / Ti electrode. FIG. 4A shows an electrode not treated with a TiCl 4 solution (LaTiO 2 N / Ti electrode). Since the original Ti mesh electrode (before catalyst deposition) has a wire diameter of 100 μm and the wire diameter observed in FIG. 4A is about 108 to 109 μm, the amount of catalyst deposited is about 8 to 9 μm. It is. (B) Electrode after nitriding for 10 hours by repeating immersion-drying in TiCl 4 solution 10 times, wire diameter is about 114 μm, (c) 20 times immersion-drying in TiCl 4 solution The electrode after the nitriding treatment was repeated for 1 hour, the wire diameter was about 111 μm, and (d) was immersed in a TiCl 4 solution and dried 30 times, and the electrode after the nitriding treatment for 1 hour was performed. The diameter is about 120 μm. 4A to 4D are magnified photographs of 250 times. Although it is before and after the numerical value, as a whole, it is clear that the diameter of the electrode network increases as the number of immersions increases.

図5(a)は、TiCl溶液で処理していない電極(LaTiON/Ti電極)であり、(b)はTiCl溶液への浸漬−乾燥を30回繰り返して1時間窒化処理を行った後の電極である。図5(a)は3000倍の拡大写真であり、(b)は5000倍の拡大写真である。 FIG. 5A shows an electrode not treated with a TiCl 4 solution (LaTiO 2 N / Ti electrode), and FIG. 5B shows nitriding treatment by repeating immersion-drying in the TiCl 4 solution 30 times for 1 hour. It is an electrode after. FIG. 5A is an enlarged photograph of 3000 times, and FIG. 5B is an enlarged photograph of 5000 times.

図4、5より、TiCl/NH処理によりLaTiON粒子間がTiNにより補完されていることが見て取れ、これによって電極内部抵抗が低下したと推測される。 4 and 5, it can be seen that the TiTiO 4 N particles are complemented by TiN by the TiCl 4 / NH 3 treatment, and it is presumed that the internal resistance of the electrode has decreased.

図6にLaTiON/Ti電極(TiCl浸漬処理なし、NH処理のみ、下のグラフ)およびLaTiON/TiN/Ti電極(TiCl/NH処理あり、TiCl処理回数:20回、上のグラフ)の印加電圧に対する光電流密度依存性を観測した結果を示す。光電流密度はTiCl/NH処理をすると、処理をしない場合に比較して著しく向上した。また、TiCl/NH処理を施したLaTiON/TiN/Ti電極の電流が流れ始める電圧は可逆水素電極(RHE)よりも負側(カソード側)であることから、光触媒であるLaTiONを堆積する電極として金属電極であるTiを選択したことにより、エネルギー準位のミスマッチによる光触媒−電極間の抵抗を低減できることが明らかになった。なおTiCl/NH処理を施さないLaTiON/Tiにおいても電流値は小さいもののRHEよりも負側から電流が流れ始めることから、光触媒−電極間の抵抗を低減するためには、TiCl/NH処理にかかわりなく、LaTiONとマッチングのよい半導体電極、もしくは導電性の高い金属電極を選択すればよいことが分かる。 FIG. 6 shows a LaTiO 2 N / Ti electrode (without TiCl 4 immersion treatment, NH 3 treatment only, lower graph) and a LaTiO 2 N / TiN / Ti electrode (with TiCl 4 / NH 3 treatment, number of TiCl 4 treatments: 20 times) The graph shows the result of observing the dependence of the photocurrent density on the applied voltage in the upper graph). The photocurrent density was remarkably improved when the TiCl 4 / NH 3 treatment was performed compared to the case where the treatment was not performed. Moreover, since the voltage at which the current of the LaTiO 2 N / TiN / Ti electrode subjected to the TiCl 4 / NH 3 treatment starts to flow is more negative (cathode side) than the reversible hydrogen electrode (RHE), LaTiO 2 that is a photocatalyst. It has been clarified that the resistance between the photocatalyst and the electrode due to energy level mismatch can be reduced by selecting Ti as a metal electrode as an electrode for depositing N. In LaTiO 2 N / Ti not subjected to TiCl 4 / NH 3 treatment, the current starts to flow from the negative side of RHE, although the current value is small. Therefore, in order to reduce the resistance between the photocatalyst and the electrode, TiCl 4 It can be seen that, regardless of the / NH 3 treatment, a semiconductor electrode having good matching with LaTiO 2 N or a metal electrode having high conductivity may be selected.

図7にLaTiON/TiN/Ti電極(TiCl処理回数:20回、下側のグラフ)およびIrO/LaTiON/TiN/Ti電極(上側のグラフ)の印加電圧に対する光電流密度依存性を観測した結果を示す。光電流密度は助触媒であるIrOの存在で著しく向上した。なお、酸化イリジウム処理は、LaTiON/TiN/Ti電極(下側のグラフのもの)を、酸化イリジウムコロイド溶液に一回浸漬、乾燥することにより、行った。なお、酸化イリジウムコロイド溶液は、水20ml中にNaIrClを50mg溶かし、NaOHを添加してpH12にしたのち、ウオーターバス中で80℃まで加熱する。溶液の色が茶色から透明に変わり、最後にはダークブルーになったところで加熱をやめ、溶液を放冷することで調製した。 FIG. 7 shows the dependence of photocurrent density on the applied voltage of LaTiO 2 N / TiN / Ti electrode (TiCl 4 treatment frequency: 20 times, lower graph) and IrO 2 / LaTiO 2 N / TiN / Ti electrode (upper graph). The result of having observed the sex is shown. The photocurrent density was remarkably improved in the presence of IrO 2 as a promoter. The iridium oxide treatment was performed by immersing and drying a LaTiO 2 N / TiN / Ti electrode (in the lower graph) once in an iridium oxide colloidal solution. The iridium oxide colloidal solution is prepared by dissolving 50 mg of Na 2 IrCl 6 in 20 ml of water, adding NaOH to pH 12, and then heating to 80 ° C. in a water bath. When the color of the solution changed from brown to transparent and finally dark blue, heating was stopped and the solution was allowed to cool.

図8に参考データとしてLaTiONをNb:SrTiO上にスパッタリングによって堆積した光触媒電極の光電流観測結果を示した(出典:非特許文献4)。上段のグラフが助触媒としてIrOを添加した場合、下段のグラフはこれを添加しない場合である。電極として酸化物半導体を使用しているため、LaTiONとのエネルギー準位にミスマッチが生じ、それが内部抵抗となって光電流の流れ始める電位はRHEよりも正側である。また、図8の電極は、スパッタリングという欠陥の少なく均一で強固な薄膜を形成しうる手法で作製された電極であるが、この電極に比較して、本発明の電極は3倍程度の光電流密度を示した。なお、図6、7での光電流密度の単位は、mA/cmであり、図8での単位はμA/cmである。 FIG. 8 shows a photocurrent observation result of a photocatalyst electrode in which LaTiO 2 N is deposited on Nb: SrTiO 3 by sputtering as reference data (Source: Non-Patent Document 4). When IrO 2 is added as a promoter in the upper graph, the lower graph is when this is not added. Since an oxide semiconductor is used as an electrode, a mismatch occurs in the energy level with LaTiO 2 N, and the potential at which a photocurrent flows as a result of internal resistance is on the positive side of RHE. 8 is an electrode manufactured by a technique capable of forming a uniform and strong thin film with few defects called sputtering, but the electrode of the present invention has a photocurrent about three times that of this electrode. The density is shown. 6 and 7, the unit of photocurrent density is mA / cm 2 , and the unit in FIG. 8 is μA / cm 2 .

以上、現時点において、もっとも、実践的であり、かつ、好ましいと思われる実施形態に関連して本発明を説明したが、本発明は、本願明細書中に開示された実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲および明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う光水分解反応用電極もまた本発明の技術的範囲に包含されるものとして理解されなければならない。   While the present invention has been described in connection with embodiments that are presently the most practical and preferred, the present invention is not limited to the embodiments disclosed herein. However, the electrode can be changed as appropriate without departing from the scope or spirit of the invention that can be read from the claims and the entire specification, and the electrode for photohydrolysis reaction with such a change is also included in the technical scope of the present invention. Must be understood as being.

本発明は、支持体上に光触媒を堆積させてなる光触媒電極の作製手法に新たな可能性を提供する。また、本発明の電極を利用して、光触媒に電位を印加することにより効率的に水分解を進行させるシステムを構築できる。本発明によると、光触媒電極を用いた効果的な水分解による水素製造技術が提供できる。   The present invention provides a new possibility for a method for producing a photocatalytic electrode in which a photocatalyst is deposited on a support. In addition, a system for efficiently proceeding with water splitting can be constructed by applying a potential to the photocatalyst using the electrode of the present invention. According to the present invention, a hydrogen production technique by effective water splitting using a photocatalytic electrode can be provided.

10 光触媒粒子
20 支持体
30 半導体または良導体
51 光源
52 カットフィルター
53 LaTiON/TiN/Tiメッシュ
54 参照電極
55 白金線
56 0.1M NaSO水溶液(pH=6)
61 光触媒電極
62 隔膜もしくはイオン交換膜
63 対極
64 導体
65 電解質水溶液
10 photocatalyst particles 20 support 30 semiconductor or conductor 51 a light source 52 cut filter 53 LaTiO 2 N / TiN / Ti mesh 54 reference electrode 55 of platinum wire 56 0.1M Na 2 SO 4 aqueous solution (pH = 6)
61 Photocatalyst electrode 62 Membrane or ion exchange membrane 63 Counter electrode 64 Conductor 65 Electrolyte aqueous solution

Claims (5)

光触媒粒子を構成する光触媒として、オキシナイトライド、ナイトライド、オキシサルファイド、および、サルファイドからなる群から選ばれる1種以上が支持体上に堆積されてなるとともに、前記光触媒粒子の周囲に半導体または良導体が付与された光水分解反応用電極の製造方法であって、
前記半導体または良導体が、TiN、TiO、Ta、TaON、ZnO、SnO、ITO、Ag、Au、C、Cu、Cd、Co、Cr、Fe、Ga、Ge、Hg、Ir、In、Mn、Mo、Ni、Nb、Pb、Ru、Re、Rh、Sn、Sb、Ta、Ti、V、W、並びに、これらの合金および混合物から選ばれるいずれかであり、
前記半導体または良導体の前駆体溶液に前記光触媒粒子を浸漬して、該半導体または良導体の前駆体で該光触媒粒子をコーティングした後、熱分解処理を行うことを特徴とする、
光水分解反応用電極の製造方法。
As the photocatalyst constituting the photocatalyst particle, one or more selected from the group consisting of oxynitride, nitride, oxysulfide, and sulfide is deposited on a support, and a semiconductor or a good conductor is provided around the photocatalyst particle. Is a method for producing an electrode for water-splitting reaction,
The semiconductor or good conductor is TiN, TiO 2 , Ta 3 N 5 , TaON, ZnO, SnO 2 , ITO, Ag, Au, C, Cu, Cd, Co, Cr, Fe, Ga, Ge, Hg, Ir, In , Mn, Mo, Ni, Nb, Pb, Ru, Re, Rh, Sn, Sb, Ta, Ti, V, W, and alloys and mixtures thereof,
The photocatalyst particles are immersed in the semiconductor or good conductor precursor solution, the photocatalyst particles are coated with the semiconductor or good conductor precursor, and then subjected to a thermal decomposition treatment.
A method for producing an electrode for photohydrolysis reaction.
前記支持体に前記光触媒粒子を堆積させた電極を、前記半導体または良導体の前駆体溶液に浸漬する、請求項1に記載の製造方法。 The manufacturing method according to claim 1, wherein an electrode having the photocatalyst particles deposited on the support is immersed in the semiconductor or good conductor precursor solution. 前記半導体又は良導体の前駆体溶液に前記光触媒粒子を浸漬する処理を繰り返し行う、請求項1又は2に記載の製造方法。 The manufacturing method of Claim 1 or 2 which performs the process which immerses the said photocatalyst particle in the precursor solution of the said semiconductor or a good conductor repeatedly. 光触媒粒子を構成する光触媒として、オキシナイトライド、ナイトライド、オキシサルファイド、および、サルファイドからなる群から選ばれる1種以上が支持体上に堆積されてなる電極であって、
前記光触媒粒子間ならびに前記光触媒粒子および前記支持体間に半導体または良導体を有し、且つ、前記半導体または良導体が、TiN、TiO、Ta、TaON、ZnO、SnO、ITO、Ag、Au、C、Cu、Cd、Co、Cr、Fe、Ga、Ge、Hg、Ir、In、Mn、Mo、Ni、Nb、Pb、Ru、Re、Rh、Sn、Sb、Ta、Ti、V、W、並びに、これらの合金および混合物から選ばれるいずれかであり、
前記半導体または良導体の前駆体で前記光触媒粒子および前記支持体表面をコーティングした後に熱処理を行うことにより、前記光触媒粒子間ならびに前記光触媒粒子および前記支持体間に半導体または良導体が付与されていることを特徴とする、
光水分解反応用電極。
As a photocatalyst constituting the photocatalyst particles, an electrode in which one or more selected from the group consisting of oxynitride, nitride, oxysulfide, and sulfide is deposited on a support,
Between the photocatalyst particles and between the photocatalyst particles and the support, the semiconductor or good conductor has TiN, TiO 2 , Ta 3 N 5 , TaON, ZnO, SnO 2 , ITO, Ag, Au, C, Cu, Cd, Co, Cr, Fe, Ga, Ge, Hg, Ir, In, Mn, Mo, Ni, Nb, Pb, Ru, Re, Rh, Sn, Sb, Ta, Ti, V, W, and any one of these alloys and mixtures,
The semiconductor or good conductor is provided between the photocatalyst particles and between the photocatalyst particles and the support by performing a heat treatment after coating the surface of the photocatalyst particles and the support with the precursor of the semiconductor or good conductor. Features
Electrode for photohydrolysis reaction.
光触媒粒子を構成する光触媒として、オキシナイトライド、ナイトライド、オキシサルファイド、および、サルファイドからなる群から選ばれる1種以上が支持体上に堆積されてなる光水分解反応用電極の製造方法であって、
前記光触媒粒子間ならびに前記光触媒粒子および前記支持体間に半導体または良導体を有し、且つ、前記半導体または良導体が、TiN、TiO、Ta、TaON、ZnO、SnO、ITO、Ag、Au、C、Cu、Cd、Co、Cr、Fe、Ga、Ge、Hg、Ir、In、Mn、Mo、Ni、Nb、Pb、Ru、Re、Rh、Sn、Sb、Ta、Ti、V、W、並びに、これらの合金および混合物から選ばれるいずれかであり、
前記半導体または良導体の前駆体で前記光触媒粒子および前記支持体表面をコーティングした後に熱処理を行うことにより、前記光触媒粒子間ならびに前記光触媒粒子および前記支持体間に前記半導体または前記良導体を付与することを特徴とする、
光水分解反応用電極の製造方法。
As a photocatalyst constituting photocatalyst particles, there is provided a method for producing an electrode for photohydrolysis reaction in which at least one selected from the group consisting of oxynitride, nitride, oxysulfide, and sulfide is deposited on a support. And
Between the photocatalyst particles and between the photocatalyst particles and the support, the semiconductor or good conductor has TiN, TiO 2 , Ta 3 N 5 , TaON, ZnO, SnO 2 , ITO, Ag, Au, C, Cu, Cd, Co, Cr, Fe, Ga, Ge, Hg, Ir, In, Mn, Mo, Ni, Nb, Pb, Ru, Re, Rh, Sn, Sb, Ta, Ti, V, W, and any one of these alloys and mixtures,
The semiconductor or the good conductor is imparted between the photocatalyst particles and between the photocatalyst particles and the support by performing a heat treatment after coating the surface of the photocatalyst particles and the support with the precursor of the semiconductor or the good conductor. Features
A method for producing an electrode for photohydrolysis reaction.
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